今日視點(diǎn)

　　本報記者 常麗君

　　關(guān)聯(lián)電子研究是基礎(chǔ)物理學(xué)的一個分支，主要是研究金屬中電子之間的相互作用。理解了電子之間的相互作用和它們產(chǎn)生的獨(dú)特性質(zhì)，可能帶來新材料和新技術(shù)方面的革命性突破。但研究的關(guān)鍵是通過實(shí)驗(yàn)證明從微觀層面實(shí)際探測到這些相互作用和性質(zhì)。

　　為此，美國加州理工大學(xué)物理學(xué)教授托馬斯·羅森鮑姆和芝加哥大學(xué)、阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的同行利用同步加速器X射線源研究了金屬中電子排列的不穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)這種不穩(wěn)定性是溫度和壓力的函數(shù)，首次揭示了產(chǎn)生不穩(wěn)定性的原因。相關(guān)論文發(fā)表在近日的《自然·物理學(xué)》雜志上。

　　超導(dǎo)下的電子行為

　　在原子內(nèi)部，電子軌道排列成一層層的球殼。雖然它們通常被視為一個整體，但實(shí)際上各層軌道代表的是分布概率——在某元素中，電子以某種可能性出現(xiàn)的空間區(qū)域，有著特定的能量。某種元素中的特征電子構(gòu)型決定了元素的獨(dú)特性質(zhì)。

　　關(guān)聯(lián)電子研究是觀察電子亞層。比如金屬，最外層電子軌道未被填滿，電子可以自由地從一個原子移動到另一個原子，所以金屬具有良好的導(dǎo)電性。雖然金屬原子被緊緊擠在晶格（或晶體）中，但這些電子卻混在一起形成一片電子“海洋”。如金屬元素汞在室溫下是液態(tài)的，部分原因就在于其電子構(gòu)型，這種電子構(gòu)型對電流的阻礙極小。在4K（零下269.15攝氏度）時，汞的電子排布及其他性質(zhì)產(chǎn)生了公共電子，電阻消失，這時的狀態(tài)稱為超導(dǎo)。

　　汞的超導(dǎo)性及類似現(xiàn)象是由于存在大量相關(guān)電子對。在超導(dǎo)狀態(tài)下，相關(guān)電子對通過晶格中的聲子激發(fā)（一種周期性的、原子的整體激發(fā)），形成一種靈活而可伸縮的整體狀態(tài)，由此電子能以這種靈活狀態(tài)共同移動通過材料，而沒有能量損失。

　　壓力制約“電荷有序”

　　金屬中的“電荷有序”（charge order）是電子“海洋”的一種基本不穩(wěn)定性。電荷有序是指正負(fù)電荷按照一定的方向進(jìn)行排序。一般的情況下，材料中的正負(fù)電荷都是雜亂無章的，所以我們接觸物品時不會有被電的感覺。

　　電荷有序化通常與超導(dǎo)有關(guān)，許多材料都會產(chǎn)生電荷有序。但這種現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的？為了“看到”電荷有序是怎樣產(chǎn)生的，研究小組利用了阿爾貢實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源。該光源是一種同步加速器，能產(chǎn)生強(qiáng)X射線束用于X射線衍射研究，X射線分散的形狀提供了電子結(jié)構(gòu)的信息。在實(shí)驗(yàn)中，他們利用X射線束研究了兩種金屬——鉻和二硒化鈮中的電荷有序現(xiàn)象，壓力從0（真空）到100千巴（10萬倍正常大氣壓），溫度從3K到300K（零下270.15攝氏度到26.85攝氏度）。選擇二硒化鈮是因?yàn)槠潆姾傻挠行蚨群芨?，選擇鉻是因其自旋有序度很高。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，在晶體內(nèi)部，壓力和公共電子的自組織方式之間存在單純的相關(guān)性，晶體結(jié)構(gòu)完全不同的材料也表現(xiàn)出相同性質(zhì)。羅森鮑姆說：“人們早就知道電荷有序和自旋有序現(xiàn)象，但迄今為止還不了解其背后的機(jī)制?！?/p>

　　有助于研究超導(dǎo)磁性

　　當(dāng)貝爾實(shí)驗(yàn)室1947年發(fā)明晶體管的時候，很少人能預(yù)見到這一設(shè)備對未來的影響。這一科學(xué)與工程的基礎(chǔ)性進(jìn)步是發(fā)明手持式無線電、帶來現(xiàn)代計(jì)算的關(guān)鍵，從而讓智能手機(jī)這樣的技術(shù)成為可能。這正是基礎(chǔ)研究價值的一個體現(xiàn)。

　　羅森鮑姆和同事指出，他們的結(jié)果雖然不能直接應(yīng)用，但“這一發(fā)現(xiàn)對研究新材料以及產(chǎn)生磁性狀態(tài)的相互作用是有用的，這種磁性狀態(tài)通常是超導(dǎo)的前兆”。

　　“這類研究的吸引力在于，提出自然界中普遍存在的基本問題。”羅森鮑姆說，“我覺得，這正是加州理工大學(xué)的傳統(tǒng)：致力于開發(fā)出探索物質(zhì)的新工具，從基本方面來揭示問題。能從普遍的微觀層面取得最強(qiáng)的突破，這才是真正的力量?！?/p>

　　論文合著者、阿爾貢實(shí)驗(yàn)室的馮業(yè)軍（音譯）說：“我們花了10年時間開發(fā)儀器來完成這些研究。現(xiàn)在我們擁有獨(dú)一無二的研究能力?！?/p>